BAB II

DASAR TEORI

2.1. Generator Sinkron

Generator arus bolak-balik (AC) atau disebut dengan alternator adalah

suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (gerak)

menjadi energi listrik (elektrik) dengan perantara induksi medan magnet.

Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet pada

kumparan jangkar (tempat terbangkitnya tegangan pada generator).

Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan

jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari

kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan

kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Kumparan medan pada

generator sinkron terletak pada rotornya sedangkan kumparan jangkarnya terletak

pada stator.

Gambar 2.1 Generator Sinkron[3]

2.2. Konstruksi Generator Sinkron

Secara umum konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang

diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian

magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron

memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat

terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke stator.

Adapun konstruksi generator AC adalah sebagai berikut:

1. Rangka stator terbuat dari besi tuang, yang merupakan rumah stator

tersebut.

2. Stator, Stator adalah bagian yang diam. Memiliki alur-alur sebagai tempat

meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat GGL

(Gaya Gerak Listrik) induksi.

3. Rotor, Rotor adalah bagian yang berputar, pada bagian ini terdapat kutub-

kutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin

geser dan sikat-sikat.

4. Cincin geser, terbuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang

pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama-

sama dengan poros dan rotor.

5. Generator penguat, Generator penguat merupakan generator arus searah

yang dipakai sebagai sumber arus.

Gambar 2.2 Kontruksi generator sinkron

Stator [2]

Stator merupakan bagian yang diam (statis) dan merupakan gulungan

kawat penghantar yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur

inti besi yang disebut dengan belitan jangkar. Pada penghantar tersebut adalah

tempat terbentuknya GGL induksi yang diakibatkan dari medan magnet putar dari

rotor yang memotong kumparan penghantar stator.

Gambar 2.3 Inti Stator dan Alur Pada Stator [2]

Rotor [4]

Rotor merupakan bagian yang bergerak (dinamis). Rotor berfungsi untuk

membangkitkan medan magnet sehingga menghasilkan tegangan kemudian akan

diinduksikan ke stator. Rotor pada generator juga berfungsi sebagai tempat

belitan medan (eksitasi). Dimana Kumparan medan magnet disusun pada alur-alur

inti besi rotor, sehingga apabila pada kumparan tersebut dialirkan arus searah

(DC) maka akan membentuk kutub-kutub magnet Utara dan Selatan pada inti

rotor.

Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :

1. Rotor Kutub Sepatu Atau Menonjol (Salient Pole Rotor)

Pada rotor kutub menonjol ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak.

Pada Kumparannya dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi

laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy. Pada belitan-

belitan medannya dihubung seri, sehingga ketika belitan medan ini disuplai oleh

eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan.

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan

kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm) sehingga kutub menonjol

akan mengalami rugi-rugi yang besar dan mengeluarkan suara bising jika diputar

dengan kecepatan tinggi. Bentuk kutub menonjol dapat di lihat pada gambar

berikut:

Gambar 2.4 Rotor Kutub Menonjol [4]

2. Rotor Kutub Silindris (Non Salient Pole Rotor)

Rotor kutub tak menonjol ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang

mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan

juga kumparan medan pada rotor maka mengakibatkan jumlah kutub pun sedikit

terbentuk. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik

karena rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol.

Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan

kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) karena distribusi disekeliling rotor

mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik dari kutub menonjol dan

juga konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.

Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar

berikut:

Gambar 2.5 Rotor Kutub Silinder

2.3. Prinsip Kerja Generator Sinkron

Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber

eksitasi yang akan disuplai oleh arus searah sehingga menimbulkan fluks yang

besarnya tetap terhadap waktu. Kemudian penggerak mula (Prime Mover) yang

sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar

pada kecepatan nominalnya sesuai dengan persamaan:

p

fn

.120 .....................................................................(2.1)

dimana: n = Kecepatan putar rotor (rpm)

p = Jumlah kutub rotor

f = frekuensi (Hz)

Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang

dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor akan

menginduksikan tegangan tiga fasa pada kumparan jangkar sehingga akan

menimbulkan medan putar pada stator. Perputaran tersebut menghasilkan fluks

magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks

magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada

ujung-ujung kumparan tersebut.

GGL induksi (Ea) pada alternator akan terinduksi pada kumparan jangkar

alternator bila rotor diputar di sekitar stator. Besarnya kuat medan pada rotor

dapat diatur dengan cara mengatur arus medan (If) yang diberikan pada rotor.

Besarnya GGL induksi (Ea) rata-rata yang dihasilkan kumparan jangkar alternator

ini dapat dilihat dalam persamaan sebagai berikut: [2]

TfE 44,4 ...............................................................(2.2)

Jika 120

npf , maka:

Tnp

E 120

44,4

120

4,44 TnpE

Bila 120

4,44 pTC , maka:

CnE .........................................................................(2.3)

dimana : E = ggl induksi (Volt p = Jumlah kutub

n = Putaran (rpm) = Fluks magnetik (weber)

T = banyaknya lilitan /fase =1/2 Z = banyak sisi kumparan

2.4. Generator Berbeban [1]

Pada keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan

terjadinya reaksi jangkar. Raektansi jangkar bersifat reaktif dan disebut juga

sebagai reaktansi permanen (Xm). Reaktansi permanen ini bersama-sama dengan

reaktansi fluks bocor (Xa) sebagai reaktansi sinkron (Xs).

amS XXX ....................................................................(2.4)

Berikut ini merupakan rangkaian ekuivalen generator berbeban.

Eo V

Xs

Rf

Lf

Vdc

Ra

BEBAN

if

Gambar 2.6 Rangkaian ekuivalen generator berbeban [1]

Secara umum sifat beban yang dipikul oleh alternator dapat bersifat

resistif, induktif dan kapasitif. Bentuk hubungan beban ini akan mempengaruhi

arus yang mengalir pada alternator. Arus ini bisa menjadi sefasa, tertinggal, atau

mendahului dari tegangan, tergantung dari jenis beban yang diberikan pada

terminal alternator. Adapun diagram fasor alternator pada faktor daya satu,

terbelakang dan mendahului adalah sebagai berikut:

Ia Vph

Ea

IaRa

jXsIa

(a)

IaIaRa

Ea

jXsIa

Vph

(b)

Ia

Ea

jXsIa

IaRa

Vph

(c)

Gambar 2.7 Hubungan berbagai kondisi beban terhadap arus dan tegangan

yang terjadi pada alternator: [1]

a) Beban resistif (sefasa)

b) Bebab induktif (terbelakang)

c) Beban kapasitif (mendahului)

Dengan memisalkan alternator dihubungkan ke sistem besar (busbar),

pada gambar (a) yang merupakan diagram vektor dari alternator dengan faktor

daya satu (sefasa) dapat terlihat jatuh tegangan IA RA sefasa dengan IA dan IA XS

mendahului IA . Seperti persamaan sebagai berikut:

SAAASA XjIRIZI ................................................................(2.5)

SAA ZIVE .....................................................................(2.6)

Dimana : V = Tegangan konstan sistem

IA = arus alternator

RA = Tahanan alternator

ZS = Impedansi sistem

Jika arus penguatan alternator dinaikkan dari penguatan normal pada

faktor daya satu (sefasa), maka EA akan bertambah sedangkan jumlah vektor

antara V dan IA ZS tetap tidak berubah (EA V + IA ZS). Perbedaan ini timbul

akibat arus reaktif terbelakang dimana daya keluaran pada alternator tidak

berpengaruh sehingga menimbulkan jatuh tegangan IR ZS

dari IA ZS.

Pada gambar (b) terdapat diagram vektor, dimana bila diberi penguatan

yang lebih (over excited) maka alternator bekerja pada faktor daya terbelakang

(lagging) sehingga menyebabkan arus akan terbelakang dari tegangan yang

mengakibatkan generator sinkron membangkitkan daya reaktif induktif. Namun

bila arus penguatan dikurangi (under excited), EA tentu akan menjadi kecil,

sehingga terdapat perbedaan jumlah vektor V dan IA ZS tetap tidak berubah.

Perbedaan ini timbul akibat arus reaktif terbelakang sehingga menimbulkan jatuh

tegangan IR ZS dari IA ZS.

Pada gambar (c) terdapat diagram vektor, dimana bila arus penguatan

dikurangi, maka alternator bekerja pada faktor daya mendahului (leading)

sehingga menyebabkan arus akan mendahului dari tegangan yang mengakibatkan

daya reaktif kapasitif. Pada alternator dengan daya keluaran konstan, maka jatuh

tegangan IA ZS akan konstan pula. Jika arus penguatannya dibuat bervariasi, maka

IA tetap tidak akan berubah, tetapi IR dan IR ZS akan berubah nilainya.

2.5. Sistem Eksitasi Pada Generator Sinkron [5]

Eksitasi atau biasa disebut sistem penguatan adalah suatu perangkat yang

memberikan arus penguat (If) kepada kumparan medan generator arus bolak-balik

(alternating current) yang dijalankan dengan cara membangkitkan medan

magnetnya dengan bantuan arus searah. Arus eksitasi adalah pemberian arus

listrik pada kutub magnetik. Dengan mengatur besar kecilnya arus listrik tersebut

kita dapat mengatur besar tegangan output generator atau dapat juga mengatur

besar daya reaktif yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan

sistem jaringan besar ( Infinite bus).

Sistem eksitasi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu sistem eksitasi

dengan menggunakan sikat dan sistem eksitasi tanpa sikat.

2.5.1. Sistem Eksitasi Menggunakan Sikat

Sistem eksitasi dengan menggunakan sikat terdiri dari:

a) Sistem eksitasi statis

b) Sistem eksitasi dinamik

2.5.1.1. Sistem Eksitasi Statis [3]

Sistem eksitasi statik adalah sistem eksitasi generator dengan

menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang berarti bahwa peralatan

eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Sistem eksitasi ini

disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak

memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron dan

sebagai gantinya sumber eksitasi berasal dari keluaran generator sinkron itu

sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifiier.

Awalnya pada rotor ada sedikit magnet yang tersisa, magnet yang sisa ini

akan menimbulkan tegangan pada stator, tegangan ini kemudian masuk dalam

penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang

dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai dicapai

tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai

pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan menggunakan AVR.

AVR

G

Sistem Tiga Fasa

Transformator eksitasi

PT

CT

Konverter

Generator Sinkron

Gambar 2.8 Sistem Eksitasi Statik [3]

2.5.1.2. Sistem Eksitasi Dinamik

Sistem Eksitasi dinamik adalah sistem eksitasi generator tersebut disuplai

dari eksiter yang merupakan mesin bergerak. Sebagai eksiternya menggunakan

generator DC atau dapat juga menggunakan generator AC yang kemudian

disearahkan menggunakan rectifier. Slip ring digunakan untuk menyalurkan arus

dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua.

Pilot Exciter

N

S

N

Idc

Komutator

Iex

Slip ringSikat

Alternator 3 phasa

Rotor

Lilitan penguat

Kumparan stator 3 phasa

Kutub

Senjang

udara

Main exciter

S

A

CB Terminal alternator

Gambar 2.9 sistem Eksitasi Dinamik

2.5.2. Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation) [5]

Sistem eksitasi tanpa sikat sama sekali tidak bergantung pada sumber

listrik eksternal, melainkan dengan menggunakan pilot exciter dan sistem

penyaluran arus eksitasi ke rotor generator utama, maupun untuk eksitasi eksiter

tanpa melalui media sikat arang. Pilot exciter terdiri dari sebuah generator arus

bolak-balik dengan magnet permanen yang terpasang pada poros rotor dan

kumparan tiga phasa pada stator. Adapun diagram prinsip kerjanya adalah sebagai

berikut:

Pilot Exciter

N

Stator

S

N

Idc

Iex

Alternator 3 phasa

Rotor

Lilitan penguat

Kumparan stator 3 phasa

Kutub

Senjang

udara

Main exciter

S

A

CB Terminal alternator

Penyearah

3 phasa

+

-

Medan magnet

permanen

Gambar 2.10 Brushless Excitation

2.6. Paralel Generator Sinkron [6]

Bila suatu generator bekerja dan mendapatkan pembebanan yang melebihi

dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak dapat

bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan. Sehingga dalam hal ini dapat

diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara

paralel dengan generator utama yang telah bekerja sebelumnya pada satu jaringan

listrik yang sama. Keuntungan dari dilakukannya paralel alternator ialah :

1. Mendapatkan daya yang lebih besar.

2. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator.

3. Untuk menjamin kotinuitas ketersediaan daya listrik.

4. Untuk melayani beban yang berkembang.

2.6.1. Persyaratan Paralel Generator [7]

Adapun syarat yang harus dipenuhi dalam melakukan penyinkronan

alternator ini ialah :

1. Tegangan kedua alternator harus sama

Dimana tegangan generator (yang akan diparalel) dengan tegangan sistem

jaringan harus sama besarnya (nilainya). Pengaturan tegangan generator tersebut

harus diatur dengan mengatur arus eksitasinya. Pada saat generator bekerja

paralel, perubahan arus eksitasi akan merubah faktor daya,

2. Frekuensi kedua alternator harus sama

Frekuensi generator dan frekuensi sistem harus sama. Untuk

menyamakannya, maka putaran generator harus diatur, yaitu dengan cara

mengatur katup governor (aliran uap masuk turbin).

3. Mempunyai urutan dan sudut fasa yang sama

Urutan fasa dan sudut fasa generator sinkron yang akan di paralelkan

harus sama, sebab jika adanya perbedaan fasa maka akan tidak dapat dilakukan

penyinkronan. Mempunyai sudut fasa yang sama bisa diartikan, kedua fasa dari 2

Generator mempunyai sudut fasa yang berhimpit sama atau 0 derajat. Dengan kata

lain urutan fasa dari generator yang diparalelkan harus sama dengan fasa pada

sistem (busbar).

2.6.2. Metode Paralel Antar Dua Generator Sinkron

Dalam memparalelkan generator, metode yang sering digunakan untuk

melihat apakah telah terjadi sinkronisasi ialah dengan metode lampu sinkronisasi,

dimana fungsi lampu ini sebagai indikator bahwa kedua generator dapat

diparalelkan dengan sistem infinite bus.

Ada beberapa metode lampu sinkronisasi yang dapat digunakan untuk

mengetahui keadaan telah sinkron pada pengoperasian paralel antar generator

sinkron yaitu: [1]

Metode Lampu Sinkronisasi Hubungan Terang

BEBANGENERATOR 1

GENERATOR 2

S2

S3

S1

L1

L3

L2

U

R

V

S

W

T

Gambar 2.11 Metode lampu sinkronisasi hubungan terang [1]

Dalam metode ini, prinsipnya ialah menghubungkan antara ketiga fasa,

yaitu R dengan V, S dengan W, T dengan U seperti yang terlihat pada gambar

diatas. Jika antara fasa terdapat beda tegangan maka ketiga lampu akan menyala

sama terang dan generator siap untuk diparalel.

Metode Lampu Sinkronisasi Hubungan Gelap

BEBANGENERATOR 1

GENERATOR 2

S2

S3

S1

L1

L3

L2

U

R

V

S

W

T

Gambar 2.12 Metode lampu sinkronisasi hubungan gelap [1]

Dalam metode ini, prinsipnya ialah menghubungkan antara ketiga fasa,

yaitu R dengan U, S dengan V, T dengan W seperti yang terlihat pada gambar

diatas. Jika rangkaian paralel benar (urutan fasa nya sama) maka lampu L1 ,L2 dan

L3 akan gelap secara bersamaan. Pada saat lampu nyala terang maka beda

phasanya besar, dan jika lampunya redup maka beda phasanya kecil.

Metode Lampu Sinkronisasi Hubungan Gelap Terang

BEBANGENERATOR 1

GENERATOR 2

S2

S3

S1

L1

L3

L2

U

R

V

S

W

T

Gambar 2.13 Metode lampu sinkronisasi hubungan gelap terang [1]

Dalam metode ini, Prinsipnya ialah dengan menghubungkan satu fasa

sama dan dua fasa yang berlainan, yaitu fasa R dengan U, fasa S dengan W dan

fasa T dengan V seperti satu lampu gelap dan dua lampu lainnya terang. Dengan

kata lain, jika rangkaian paralel benar (urutan fasa nya sama), maka lampu L1, L2

dan L3 akan terang gelap dengan frekuensi FG1-FG2. Apabila ketiga lampu sudah

tidak berkedip lagi (L2 dan L3 terang) dan lampu L1 padam berarti FG1=FG2 dan

E1=E2.

Dalam metode penyinkronan pada kedua generator ini menggunakan

lampu sinkronisasi, bila keadaan tegangan dan putaran tiap generator dengan

urutan fasa jaringan busbar dengan generator belum sama, maka kondisi lampu L1,

L2 dan L3 akan berputar cepat yang menandakan fasa tiap generator belum sama

seperti pada gambar 2.14.a. Namun jika frekuensi dan tegangan masing-masing

generator telah sama maka kondisi lampu akan semakin lambat berputar dan

kondisi L1 padam dan kondisi L2 dan L3 terang karena semua urutan fasa jaringan

dengan urutan fasa generator telah saling berhimpit sehingga dikatakan telah

sinkron seperti pada gambar 2.14.b. Hal ini dapat dilihat pada gambar berikut:

R

L1

L2L3

U

S

V

T

W

L1

L2

L3

UR

S

V

T

W

(a) (b)

Gambar 2.14 Kondisi lampu sinkronisasi pada urutan fasa

2.7. Pembagian Beban Pada Generator Sinkron Yang Bekerja Paralel [6]

Seperti kita ketahui bahwa generator sinkron bila dibebani akan

memberikan sifat yang berbeda, tergantung jenis beban yang diberikan, misalkan

beban resistif, induktif dan kapasitif atau kombinasi dari jenis-jenis beban

tersebut.

Dua alternator identik terhubung secara paralel seperti yang ditunjukkan

pada gambar berikut:

Isy

I1

E1 E2

I2

I

VLOAD Z

Z2Z1

Gambar 2.15 Rangkaian generator paralel yang berbeban [6]

Bila kedua generator yang bekerja paralel, maka tegangan terminal V adalah:

222111 ZIEZIEV ....................................................(2.7)

ZIV .............................................................................(2.8)

21 III B ................................................................................(2.9)

Sehingga:

1

11

Z

VEI

..............................................................................(2.10)

2

22

Z

VEI

......................................................................(2.11)

2

21 EEV

....................................................................(2.12)

Dimana:

V = tegangan I = Arus beban

Z = Impedansi I12= Arus generator

2.8. Sistem Kerja Paralel Generator Sinkron [7]

Apabila generator dihubungkan dengan sistem jaringan yang

kapasitasnnya besar (infinite bus), maka dengan mengatur putaran (n) dan arus

eksitasi (If) maka tidak akan mempengaruhi frekuensi sitem jaringan tersebut.

Pada kondisi tersebut pengaturan putaran adalah hanya mengatur pembebanan

daya aktif sedangkan pengaturan arus eksitasi hanya mengatur aliran daya reaktif

atau faktor daya generator tersebut.

Dalam hal ini dapat lebih diperjelas melalui diagram rumah (house

diagram) berikut. [1]

V (volt)

Vbp

Vbn

Qbp(Kvar)

+-

F (Hertz)

Fbn

Fbp

Pbp(Kw)0

0

(a)(b)

Gambar 2.16 Karakteristik alternator pada saat bekerja paralel [1]

Untuk menyuplai beban yang ada pada kedua generator yang bekerja

paralel, maka jumlah daya aktif dan reaktif yang disuplai generator tersebut harus

sama dengan daya aktif dan reaktif yang ada pada beban.

Adapun rumus daya aktif dan reaktif yang harus disuplai oleh kedua generator

adalah: [7]

21 GGLoad PPP ............................................................................(2.13)

21 GGLoad QQQ ..........................................................................(2.14)

Dibawah ini merupakan gambar diagram daya reaktif dan tegangan yang

menunjukkan dua alternator yang bekerja adalah sebagai berikut:

If 1 If 2

V (volt)

G1

G2

QG2 KVarQG1KVar

Qtotal = Q beban

Gambar 2.17 Diagram daya reaktif dan tegangan [7]

2.9. Efek Pengaturan Arus Eksitasi [8]

Dalam pengaturan arus eksitasi tersebut maka besar nilai dari fluks

magnetik () akan berubah seiring dengan perubahan arus eksitasi.

Dalam hal ini dapat diperjelas pada rumus berikut:

CnE .......................................................................................................(2.15)

dimana: E = ggl induksi (Volt n = Putaran (rpm)

= Fluks magnetik (weber)

Jika alternator beroperasi secara paralel, dimana dengan diaturnya arus

eksitasi sedangkan nilai putaran (n) tetap, maka akan mengakibatkan kenaikan

nilai dari fluks magnetik sehingga mengubah daya reaktif yang dibutuhkan namun

besar daya aktifnya tidak akan berubah sehingga akan merubah nilai faktor daya.

Jika generator G1 dan G2 bekerja paralel maka masing-masing alternator

akan memasok beban setengah dari daya aktif dan setengah dari daya reaktif.

Masing-masing alternator memasok arus sebesar I, sehingga arus beban yang di

pasok sebesar 2I.

Bila penguatan eksitasi G1 dinaikkan maka besarnya E1 akan lebih dari

besaran awalnya sehingga 1 > 2. Hal ini menyebabkan adanya arus sirkulasi.

Dimana arus sirkulasi: [8]

21

21

ZZ

EEIs

........................................................................................(2.16)

Dimana :

Is = Arus sirkulasi

E12 = Tegangan induksi generator

Z12 = Impedansi generator

Arus Isy ini akan mempengaruhi arus beban pada G1 dan G2 secara vektoris,

sehingga besarnya arus pada G1 sebesar I1 dengan Cos 1 dan arus pada G2 sebesar

I2 dengan Cos2. Perubahan ini hampir tidak mempengaruhi pada besarnya daya

aktif beban, tapi berpengaruh pada perubahan daya reaktif yang di pikul oleh

alternator. Berikut ini adalah gambar segitiga daya akibat perubahan eksitasi pada

alternator yang bekerja secara paralel:

G1

G2

1

2

Q Beban

S

P1

P2

a) Kondisi 1

G1

G2

2

Q Beban

S

P1

P2

1

Q2

Q1

P Beban

b) Kondisi 2

Gambar 2.18 Segitiga daya alternator yang terhubung pararel akibat

efek pengubahan penguatan [2]

Pada kondisi 1, beban yang di pikul G1 dan G2 sama besarnya, sehingga

beban daya aktif dan daya reaktif di bagi rata memberikan segitiga daya aktif yang

sama tetapi jika penguatan G1 dinaikkan, dan arus penguatan G2 maka akan

merubah pembagian daya reaktif pada masing-masing alternator sehingga

berpengaruh terhadap faktor daya pada masing-masing alternator. Hal ini dapat di

lihat pada kondisi 2.

Pengaruh perubahan eksitasi pada kinerja alternator dapat dijelaskan

dengan bantuan diagram fasor yang ditunjukkan pada gambar berikut:

2

2

1

1

Isy

+Isy-IsyI2'I1'

I1 = 12

I = 2I1 = 2I2

V

jl2Xs

jl1Xs=jl2Xsjl1Xs

ESin

E1'

E2'

E1 = E2

Gambar 2.19 Diagram fasor akibat efek pengubahan penguatan [5]

Pada gambar dapat dilihat dua alternator yang bekerja secara paralel, Jika

arus eksitasi G1 meningkat sehingga ggl induksi E1 meningkat menjadi E1' yang

akan mencoba untuk meningkatkan tegangan terminal V. Tapi tegangan terminal

V dapat dijaga konstan dengan mengurangi arus eksitasi G2. Peningkatan E1 dan

E2 penurunan disesuaikan sedemikian rupa bahwa E sin tetap konstan.

Perbedaan antara E'1 dan E'2 menimbulkan arus sirkulasi ISY. Arus ini harus

ditambahkan ke I1 dan dikurangi dari I2 yang akan memberikan arus jangkar baru

I'1 dan I'2.

Pada kondisi perubahan penguatan masing-masing generator, maka

tegangan terminal tidak berubah. Jika generator dengan arus eksitasi diperbesar

(over excited), berarti mencatu arus tertinggal ke sistem (lagging), yang berarti

generator menarik arus mendahului dari sistem atau istilahnya mengirim daya

reaktif ke sistem. Demikian pula jika arus eksitasi dikurangi (under excited) maka

generator dinyatakan mencatu arus mendahului sistem (leading) atau dinyatakan

menarik arus tertinggal dari sistem atau istilahnya menarik daya reaktif dari

sistem. Hal tersebut dapat dilihat pada diagram rumah (house diagram) daya

reaktif berikut.

Qgen QsysmQ1Q3 Q2

If dinaikkan

IA1

IA3

IA2

EA1 EA3EA2

V jXsIa

Lead

Lag

P

Q

Vt

Gambar 2.20 Diagram rumah jika arus eksitasi dinaikkan [7]

Vt

QgenQsysmQ1 Q2

If diturunkan

IA1

IA2

EA1 EA2

V

jXsIaLead

Lag

P

Q

Gambar 2.21 Diagram rumah jika arus eksitasi diturunkan [7]

Dapat dilihat bahwa peningkatan arus medan mengakibatkan Q (I1 sin)

akan meningkat. Atau dengan kata lain dapat disimpulkan bahwa, peningkatan

arus medan pada generator sinkron yang bekerja paralel terhadap infinite bus akan

meningkatkan daya reaktif keluaran generator [5]. Maka dalam pernyataan ini

didapat persamaan ekuivalen generator berbeban yaitu:

SXjIVE '11 ..................................................................................(2.17)

SXjIVE '22 ................................................................................(2.18)

Hal ini dapat dilihat bahwa ada peningkatan besarnya I1 tetapi komponen

aktif I1 cos1 tidak berubah. Demikian juga I2 yang besarannya menurun tetapi

komponen aktif I2 cos2 tidak terpengaruh. Dengan demikian arus beban,

tegangan terminal dan faktor daya beban tidak berubah. Namun arus jangkar, ggl

induksi dan faktor daya untuk masing-masing alternator berubah.

1.10. Faktor daya

Faktor daya yang sering disebut sebagai cos didefinisikan sebagai

perbandingan daya aktif (kW) dan daya semu (kVA). Atau sebagai perbandingan

antara arus yang dapat menghasilkan kerja didalam suatu rangkaian terhadap arus

total yang masuk kedalam rangkaian. Adanya nilai faktor daya pada sistem

tegangan AC disebabkan adanya beban yang mengalir dan nilainya bergantung

oleh karakteristik beban tersebut.

Faktor daya = Cos = )(

)(

VAS

WP ...........................................................(2.19)

Dimana : P = Daya aktif ( Watt )

S = Daya semu (Volt Ampere )

P

Q

S

Gambar 2.22 Segitiga daya

Faktor daya mempunyai pengertian sebagai besaran yang menunjukkan

seberapa efisien jaringan yang dimiliki dalam menyalurkan daya yang bisa

dimanfaatkan. Faktor daya rendah juga merugikan karena mengakibatkan arus

beban akan menjadi lebih tinggi.

Daya reaktif yang tinggi mengakibatkan meningkatnya sudut segitiga daya

sehingga menghasilkan faktor daya rendah, begitu juga sebaliknya.

1.10.1. Pengertian Daya

Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energy listrik yang

digunakan untuk melakukan usaha. Untuk penggunaan sistem arus AC tiga fasa,

dikenal 3 daya yaitu:

1.10.1.1. Daya semu (apparent power)

Daya semu dikatakan daya total dari kapasitas daya maksimal generator

atau dapat diartikan sebagai penjumlahan daya aktif dan daya reaktif.

)(VAIVS ..........................................................................................(2.20)

22 QPS .....................................................................................(2.21)

1.10.1.2. Daya aktif (Active Power)

Daya aktif disebut juga daya nyata memiliki satuan Watt yang mempunyai

pengertian merupakan daya yang terpakai untuk melakukan energi sebenarnya.

Daya ini sering digunakan secara umum oleh konsumen dan sebagai satuan yang

digunakan untuk daya listrik dan dikonversikan dalam bentuk kerja.

Dimana dalam perhitungan phasa :

)1( FasaCosIVP ................................................................................(2.22)

)3(3 FasaCosIVP ...............................................................(2.23)

1.10.1.3. Daya Reaktif (reactive power)

Daya reaktif dengan satuan VAR, memiliki pengertian daya yang di suplay

oleh komponen reaktif, atau disebut juga jumlah daya yang diperlukan untuk

pembentukan medan magnet. Dari pembentukan medan magnet maka akan

terbentuk fluks medan magnet.

Dimana dalam perhitungan phasa :

)1( FasaSinIVQ ...............................................................................(2.24)

)3(3 FasaSinIVQ ...........................................................(2.25)